超精密車(chē)削切削力的試驗(yàn)研究

1 引言  
   經(jīng)過(guò)近二十年的不斷發(fā)展，超精密機(jī)床的加工性能已達(dá)到相當(dāng)高的水平。由于超精密切削加工選用的背吃刀量極小(幾微米甚至小于1微米)，因此切削力對(duì)加工精度的影響不容忽視。在超精密切削中，由于金剛石刀具的切削刃具有鈍圓半徑，因此前刀面被分為平面和圓柱面兩部分(圓柱面部分均為負(fù)前角)。當(dāng)選用不同的背吃刀量時(shí)，刀具前刀面的兩個(gè)部分在切削過(guò)程中所起作用和所占比重也各不相同。以前刀面圓弧部分為主要工作部分時(shí)，其單位切削面積所受切削力比以平面部分為主要工作部分時(shí)大得多，切削層越薄，單位面積所受切削力越大。切削力對(duì)被加工工件的尺寸和形狀精度、加工表面粗糙度、加工變質(zhì)層和刀具耐用度等均具有直接或間接影響。在以往的研究中，對(duì)于切削用量、刀具幾何參數(shù)、工件材質(zhì)等因素對(duì)表面粗糙度的影響較為重視，而往往忽視了切削力對(duì)表面粗糙度的二次影響。因此，減小切削力對(duì)表面粗糙度的影響已成為超精密切削領(lǐng)域一個(gè)亟待解決的重要課題。本文通過(guò)超精密車(chē)削試驗(yàn)，研究了各切削參數(shù)對(duì)切削力的影響規(guī)律。 
2 超精密車(chē)削試驗(yàn)條件
1) 超精密機(jī)床 
切削試驗(yàn)所用機(jī)床為哈爾濱工業(yè)大學(xué)自行研制的HCM-I型亞微米級(jí)超精密車(chē)床。機(jī)床工作臺(tái)由直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)給分辨率0.01µm；采用空氣靜壓主軸(回轉(zhuǎn)精度±0.1µm)；導(dǎo)軌部件采用可抗溫度干擾的花崗巖材料，空氣導(dǎo)軌直線(xiàn)度誤差0.13µm/100mm；采用空氣彈簧作為減振、隔振系統(tǒng)；機(jī)床固有頻率：水平方向≤1.12Hz，垂直方向≤2Hz。 
2) 工件材料 
切削試件材料為鋁合金LY12，其化學(xué)成分及物理性能指標(biāo)分別見(jiàn)表1和表2。  

                          表1 LY12的化學(xué)組分(%)  
3) 金剛石刀具 
天然單晶金剛石具有極高的硬度、耐磨性和彈性模量，制成的刀具工作壽命長(zhǎng)，尺寸耐用度高，切削刃極為鋒利，可實(shí)現(xiàn)超薄切削，切削刃形可復(fù)映在已加工表面上，加工出超光滑表面；金剛石刀具與工件材料間抗粘結(jié)性好、摩擦系數(shù)低、加工表面完整性好。本切削試驗(yàn)所用刀具為英國(guó)Contour Fine Tooling&11>3/0 公司生產(chǎn)的圓弧刃金剛石車(chē)刀，刀具前角g0=0°，后角a0=7°，刀尖圓弧半徑re=1.5mm，切削刃鈍圓半徑rn≈190mm。 
4) 切削力測(cè)量系統(tǒng) 
為獲得超光滑加工表面，除了采用超精密加工機(jī)床、金剛石刀具以及對(duì)加工環(huán)境進(jìn)行嚴(yán)格控制外，還需利用測(cè)量?jī)x器對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、分析與優(yōu)化。超精密車(chē)削選用的進(jìn)給量和背吃刀量通常比普通車(chē)削小三個(gè)數(shù)量級(jí)，因此加工中產(chǎn)生的切削力也非常小(一般不超過(guò)1N)，為此，需要采用高精度、高靈敏度、高可靠性的切削力測(cè)量系統(tǒng)。本切削試驗(yàn)采用的切削力測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示。該測(cè)量系統(tǒng)由安裝在機(jī)床刀架上的Kistler 9256A1型高靈敏度壓電式三向測(cè)力儀、5019B型多通道電荷放大器、DynoWare System數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件、5261型A/D轉(zhuǎn)換卡、主機(jī)及顯示系統(tǒng)等組成，附帶的驅(qū)動(dòng)軟件可通過(guò)RS-232C接口對(duì)電荷放大器進(jìn)行遙控，利用系統(tǒng)的多種圖形顯示功能可方便地對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和研究。  

                                                                                        圖1 切削力測(cè)量系統(tǒng)示意圖
3 進(jìn)給量對(duì)切削力的影響 
進(jìn)給量是影響切削力的重要因素之一。通過(guò)切削試驗(yàn)，得到當(dāng)背吃刀量ap=10µm時(shí)進(jìn)給量f與主切削力Fc、吃刀抗力Ft的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線(xiàn)如圖2所示。  
  

圖2 進(jìn)給量f與切削力Fc、Ft的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線(xiàn)
由圖可見(jiàn)，進(jìn)給量f對(duì)切削力的影響比較顯著，F(xiàn)c和Ft隨著進(jìn)給量的增大而增大。當(dāng)進(jìn)給量f大于一定值時(shí)，F(xiàn)c和Ft的變化趨勢(shì)與普通切削相同，即始終保持Fc>Ft；當(dāng)進(jìn)給量f小于一定值時(shí)，F(xiàn)c和Ft則具有特殊變化規(guī)律，即出現(xiàn)Fc>Ft的現(xiàn)象。

當(dāng)背吃刀量ap=10µm，進(jìn)給量分別為f=5µm/r、f=12µm/r時(shí)，測(cè)力儀實(shí)際測(cè)得的切削力曲線(xiàn)分別如圖3a、3b所示。  
 

           (a)f=5µm/r                           (b)f=12µm/r 
                                  圖3 切削力測(cè)量曲線(xiàn) 
4 背吃刀量對(duì)切削力的影響

通過(guò)切削試驗(yàn)，得到當(dāng)進(jìn)給量f=10µm/r時(shí)背吃刀量ap與主切削力Fc、吃刀抗力Ft的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線(xiàn)如圖4所示。  
 

 圖4 吃刀量ap與切削力Fc、Ft的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線(xiàn)
由圖可見(jiàn)，當(dāng)背吃刀量ap小于一定值時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)Ft>Fc的現(xiàn)象；當(dāng)背吃刀量ap大于一定值時(shí)，則始終保持Fc>Ft。隨著背吃刀量的增大，F(xiàn)c、Ft值逐漸增大，且Fc的增幅大于Ft的增幅。
5 分析與討論 

   在超精密微薄切削時(shí)，出現(xiàn)Ft>Fc現(xiàn)象的主要原因分析如下：作用于前刀面上的切削力主要與進(jìn)給量f和背吃刀量ap有關(guān)，而作用于切削刃刃口和后刀面上的切削力除與f和ap有關(guān)外，還與切削刃鈍圓半徑rn有關(guān)。當(dāng)選用的進(jìn)給量和背吃刀量與切削刃鈍圓半徑相比較大時(shí)，作用于切削刃刃口和后刀面上的正壓力比作用于前刀面上的正壓力小很多，刀—工接觸區(qū)以彈性變形為主，塑性變形較小。由于刀具與工件只在刀尖附近很小區(qū)域內(nèi)接觸，其接觸面積遠(yuǎn)小于刀—屑接觸面積，因此刀—工之間的摩擦力也遠(yuǎn)小于刀—屑之間的摩擦力，此時(shí)容易出現(xiàn)Fc>Ft的現(xiàn)象。但當(dāng)選用的進(jìn)給量和背吃刀量與切削刃鈍圓半徑之比小到一定程度時(shí)，切削力的變化規(guī)律將發(fā)生變化。隨著進(jìn)給量和背吃刀量的逐漸減小，與刀—屑接觸面積相比，刀—工接觸面積逐漸增大，刀—工接觸區(qū)以塑性變形為主，刀具與工件之間的擠壓和摩擦在切屑形成過(guò)程中起著關(guān)鍵作用。此時(shí)，作用于切削刃刃口和后刀面上的切削力在總切削力中所占比例較大，而作用于前刀面上的切削力在總切削力中所占比例相對(duì)較小，因此就會(huì)出現(xiàn)Ft>Fc的現(xiàn)象。由于Ft的這種特殊變化將對(duì)已加工表面粗糙度產(chǎn)生直接影響，因此在超精密微薄切削時(shí)，應(yīng)視具體情況合理選擇進(jìn)給量范圍，以保證加工獲得的表面粗糙度值較小。 
6 結(jié)論  
本文通過(guò)對(duì)鋁合金的超精密車(chē)削試驗(yàn)，分析了微薄切削時(shí)進(jìn)給量和背吃刀量對(duì)切削力的影響及其變化規(guī)律，提出了微薄切削時(shí)Ft的特殊變化將對(duì)加工表面粗糙度產(chǎn)生直接影響的觀(guān)點(diǎn)。在超精密切削時(shí)，并非選用進(jìn)給量越小則獲得的加工表面粗糙度值越小，因此應(yīng)考慮切削力變化的影響，在合理范圍內(nèi)選取進(jìn)給量，以保證超精密加工的表面質(zhì)量。